Lição 84 — Técnica: substituição (u-substitution)
Substituição u = g(x): inversa da regra da cadeia. A técnica mais usada de integração. Versões indefinida e definida. Reconhecimento de padrão.
Used in: 3.º ano do EM (17 anos) · Equiv. Math II japonês cap. 6 · Equiv. Klasse 12 alemã
Substituição: inversa da regra da cadeia. Quando o integrando contém o padrão f(g(x)) · g'(x), troque por u = g(x) e du = g'(x) dx. A integral nova deve ser mais simples.
Rigorous notation, full derivation, hypotheses
Teorema e procedimento
Teorema da mudança de variável
"A regra de substituição é o equivalente para integração da regra da cadeia para derivação." — OpenStax Calculus Vol. 1, §5.5
Demonstração. Se , pela regra da cadeia: . Logo é antiderivada de . Pelo TFC2:
Procedimento mecânico
Sinal de que a substituição vai funcionar
O integrando deve conter multiplicado pela derivada do "algo" (ou um múltiplo constante dessa derivada).
Exemplos de padrão:
| Integrando | ||
|---|---|---|
| (precisa ajuste ) | ||
| (ajuste ) |
Exemplos resolvidos
Exercise list
30 exercises · 7 with worked solution (25%)
- Ex. 84.1Application
Calcule .
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Tome , . Integral: . - Ex. 84.2Application
Calcule .
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Tome , . Integral: . - Ex. 84.3Application
Calcule .
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Tome , . Integral: .Show step-by-step (with the why)
- Identifique: é a derivada de ; tome .
- Calcule: , logo .
- Reescreva: .
- Integre: .
- Verifique: . Confere.
- Ex. 84.4Application
Calcule .
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Tome , . Integral: . - Ex. 84.5Application
Calcule .
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Tome , . Integral: (módulo desnecessário pois ). - Ex. 84.6Application
Calcule .
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Tome , . Integral: . - Ex. 84.7ApplicationAnswer key
Calcule .
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Tome , . Integral: . - Ex. 84.8ApplicationAnswer key
Calcule .
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Tome , . Integral: .Show step-by-step (with the why)
- Observe: . O integrando tem multiplicado por — padrão perfeito para .
- Calcule: .
- Reescreva: .
- Integre: .
- Ex. 84.9Application
Calcule .
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Tome , . Integral: . - Ex. 84.10Application
Calcule .
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Tome , . Integral: . - Ex. 84.11Application
Calcule .
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Tome , . Integral: . - Ex. 84.12Application
Calcule .
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Tome , . Integral: . - Ex. 84.13ApplicationAnswer key
Calcule .
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Troca de limites: , . . Ou: , .Show step-by-step (with the why)
- Tome , , logo .
- Troque os limites: ; .
- Integral em : .
- Ex. 84.14Application
Calcule .
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Troca de limites: , . , . Integral: . - Ex. 84.15Application
Calcule .
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Reescreva: . Tome , . Integral: . - Ex. 84.16ApplicationAnswer key
Calcule .
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Tome , . Integral: . - Ex. 84.17Application
Calcule .
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Tome , . Integral: . - Ex. 84.18UnderstandingAnswer key
Qual substituição é mais adequada para calcular ?
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Para : a expressão "interna" da potência é , e aparece exatamente no integrando. Logo . Opção A: . Opção C: é o fator multiplicativo, não a substituição. Opção D: , não aparece no integrando. - Ex. 84.19Understanding
Ao tentar usar substituição , percebe-se que o está multiplicado por uma constante diferente de 1. O que fazer?
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Quando o integrando tem mas apenas para alguma constante , pode-se multiplicar e dividir por : . Constantes saem da integral — mas funções de não. Opção A é incorreta — ajuste de constante é sempre válido. Opções C e D não se aplicam ao cenário. - Ex. 84.20Application
Calcule .
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Troca de limites: , . , . Integral: .Show step-by-step (with the why)
- Identifique: e o fator . Tome .
- Calcule: , logo .
- Troque os limites: , .
- Integral: .
- Ex. 84.21Application
Calcule .
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Tome , . Integral: . - Ex. 84.22Application
Calcule .
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Troca de limites: , . Integral: . - Ex. 84.23Modeling
Um fundo de renda fixa tem taxa de aporte de R$ 500 por mês com crescimento exponencial: reais por mês. Calcule o saldo acumulado após 12 meses.
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Saldo após meses: . Tome , . Resultado: reais. - Ex. 84.24Application
Calcule .
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Tome , . Integral: . - Ex. 84.25ApplicationAnswer key
Calcule .
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Tome . Então , logo . Integral: .Show step-by-step (with the why)
- Tome . Calcule , logo .
- Reescreva: .
- Integre: (e , então módulo desnecessário).
- Ex. 84.26Application
Calcule . (Dica: observe os limites após a substituição.)
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Troca de limites: , (retorna ao mesmo valor!). Portanto a integral é zero: . (Verificação direta: antiderivada ... mas como , a diferença é zero.) - Ex. 84.27Challenge
Calcule .
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Tome , . Integral: . - Ex. 84.28Challenge
Tente calcular por substituição. Identifique por que a substituição simples falha aqui, e escreva a resposta (que requer integração por partes, Lição 85).
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Escreva: . Tome , . Mas o integrando tem , não . A substituição simples não funciona — este caso requer integração por partes (Lição 85). Resposta: . - Ex. 84.29ProofAnswer key
Demonstre que onde e .
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Queremos verificar o caso geral de ajuste de constante: se , então . Tome , , então . Integral: . Verificação por derivação: . - Ex. 84.30Modeling
Um veículo tem aceleração m/s², partindo do repouso (). Encontre usando substituição e calcule a velocidade em s.
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Velocidade: . Tome , . . Com : , logo . Em : m/s.Show step-by-step (with the why)
- Integre por substituição: , resultado .
- Use : .
- Logo m/s.
- Avalie em : m/s.
Fontes
- Active Calculus — Boelkins · §5.1 · CC-BY-NC-SA. Motivação da substituição como desfazer a regra da cadeia.
- APEX Calculus — Hartman et al. · §6.1 · CC-BY-NC. Procedimento mecânico, ajuste de constante, integral definida com troca de limites.
- OpenStax Calculus Volume 1 · §5.5 · CC-BY-NC-SA. Teorema formal, exemplos com radicais e trigonometria, exercícios de integral definida.